Výzkumníci vyvinuli kolektivy mikrorobotů, které se pohybují v požadovaných formacích

Tým výzkumníků z různých institucí, včetně Max Planck Institute for Intelligent Systems (MPI-IS), Cornell University a Shanghai Jiao Tong University, vyvinul kolektivy mikrorobotů, které se mohou pohybovat v libovolné požadované formaci.

Výzkum vedli Gaurav Gardi a Prof. Metin Sitti z MPI-IS, Steven Ceron a Prof. Kirstin Peterson z Cornellu a Prof. Wendong Wang ze Shanghai Jiao Tong University.

Výzkum s názvem „Mikrorobotické kolektivy s rekonfigurovatelnými morfologiemi, chováním a funkcemi“ byl publikován v Nature Communications.

Přestavba miniaturizovaných částic

Miniaturizované částice jsou schopny velmi rychle přestavovat chování hejna. Když plavou na povrchu vody, mikrorobotické disky se mohou pohybovat v kruzích, tančit, rozptylovat se jako plyn, shlukovat se nebo tvořit přímou linii.

Každý jednotlivý robot je o něco větší než šířka lidského vlasu a jsou tištěny pomocí polymeru před tím, než jsou potaženy tenkou vrstvou kobaltu. Kovy dávají mikrorobotům schopnost stát se miniaturizovanými magnety, zatímco drátové cívky vytvářejí magnetické pole, když jimi prochází elektrický proud. Toto magnetické pole umožňuje přesně pohybovat částicemi v jednocentimetrovém bazénu vody.

Impozantním příkladem je, když roboti tvoří linii, kterou výzkumníci mohou poté pohybovat, aby „napsali“ písmena ve vodě.

Vývoj swarm robotics je ovlivněn kolektivním chováním a vzorci hejna v přírodě, jako je hejno ptáků. Implementace chování hejna v robotice最近 získala velkou popularitu.

Nicméně, když je jednotlivá částice příliš malá pro výpočet, nebo robot je pouze 300 mikrometrů široký, nemůže být naprogramován algoritmem. Aby výzkumníci mohli kompenzovat tuto skutečnost, musí se spoléhat na tři různé síly. První je magnetická síla, která nastává, když se dva magnety s opačnými póly přitahují nebo dva stejné póly odpuzují.

Druhá síla je tekuté prostředí, nebo voda kolem disků. To lze vidět, když částice plavou ve víru vody, což vede k tomu, že voda je vytlačena a změněna okolních částic. Rychlost víru a magnetitut určují, jak částice interagují.

Třetí síla zahrnuje dvě částice, které plavou vedle sebe, což často vede k tomu, že se k sobě přiblíží. Povrch vody je ohnutý způsobem, který způsobuje, že se spojí.

Rižení robotů

Výzkumníci použili všechny tři tyto síly, aby vytvořili kolektivní a koordinovaný vzorec pohybu pro desítky mikrorobotů jako jeden systém. Vědci mohou řídit roboty skrz parkour, zatímco zobrazují formaci, která nejlépe vyhovuje dané překážce. Například mikroroboti se seřadí do jediné řady, aby prošli úzkou cestou.

Roboti mohou dosáhnout několika různých režimů pohybu a formací, což je dosaženo externím výpočtem. Algoritmus je naprogramován tak, aby vytvořil magnetické pole, buď rotující nebo oscilující, a to spouští požadovaný pohyb robotů.

Gaurav Gardi je doktorandem na oddělení Physical Intelligence na MPI-IS. Je jedním z hlavních autorů studie spolu se Stevenem Ceronem.

„V závislosti na tom, jak měníme magnetická pole, disky se chovají jinak,” říká Gaurav Gardi. „Ladíme jednu sílu a pak druhou, dokud nezískáme pohyb, který chceme. Pokud rotujeme magnetické pole uvnitř cívek příliš energicky, síla, která způsobuje pohyb vody, je příliš silná a disky se vzdalují od sebe. Pokud rotujeme příliš pomalu, pak je efekt, který přitahuje částice, příliš silný. Musíme najít rovnováhu mezi třemi.’

Výzkumníci v oboru také pracují na tom, aby tyto typy mikrorobotických kolektivů byly ještě menší.

„Naše vize je vyvinout systém, který je ještě menší, složený z částic o velikosti pouze jednoho mikrometru. Tyto kolektivy by mohly potenciálně vstoupit do lidského těla a pohybovat se skrz komplexní prostředí, aby doručily léky, například, aby zablokovaly nebo odblokovaly průchody, nebo aby stimulovaly obtížně přístupnou oblast,” říká Gardi.

Metin Sitti vede oddělení Physical Intelligence.

„Robotické kolektivy s robustními přechody mezi chováním pohybu jsou velmi vzácné. Nicméně, takto univerzální systémy jsou výhodné pro provoz v komplexních prostředích. Jsme velmi rádi, že jsme úspěšně vyvinuli takový robustní a na-demand rekonfigurovatelný kolektiv. Vidíme náš výzkum jako modul pro budoucí biomedicínské aplikace, minimálně invazivní léčby nebo environmentální sanace,” říká Metin Sitti.